基于单片机的数字人体心率计的设计与实现.docx

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基于单片机的数字人体心率计的设计与实现

摘要

生物医学信号指标与人体的健康息息相关，只有掌握其中规律才能更好的解决人体的健康问题。

随着电子信息技术的发展和医学的不断进步，人们对高精度便捷式生物医学信号电子检测设备的需求越来越高。

心率和体温是人体的两个重要指标，根据所学知识制作了此心率计。

设计是基于单片机的数字人体心率计，从可实现性和经济性方面考虑，决定采用51单片机作为设计的主控芯片，使用红外光电传感器作为心率的采集模块，而体温的采集则使用18b２０温度传感器,外加显示模块和功能选择模块。

心率和体温的采集部位均为指尖，采集信号经单片机处理后输出给显示模块显示最终的结果。

从硬件电路到程序设计，主要解决了如下的几个问题：

1、心率信号由红外光电传感器采集，经过两级放大将原信号放大后，再由比较电路进行整形，输出能使单片机更好识别的脉冲波信号；

　2、体温信号由单线温度传感器18b20采集，采集数据经过转换计算后变为温度，最后单片机输出体温测量结果;

3、测量的结果都是以数字形式输出，3位一体数码管显示结果，使测量结果的读取简单精确化;

4、按键和程序的结合运用,使得心率计和体温计功能切换更加方便快捷。

关键词：

心率；体温；单片机；红外传感器;温度传感器

Absｔｒaｃt

Biomedicalsigｎaｌｉndｅxes　aｎdhuman　hｅaltｈaｒeｃloselｙｒelatｅd,ｏnｌｙｔｏmastｅrtｈelａw　canbeｔｔersolvｅthe　ｈｅalth　pｒｏbｌemsｏf　thｅhumaｎｂｏdｙ。

Withｔhｅdevelopmeｎt　ｏｆｅlecｔroｎicinｆorｍatｉontｅchｎoｌoｇyand　ｔｈｅdｅveｌopmｅntｏfmｅdicｉnｅ,tｈedemandfｏrhiｇh　precisiｏnｐorｔaｂｌebｉｏmeｄical　signaleleｃtronicｔestinｇ　equipmenｔiｓ　more　andmore　hiｇｈ。

Heａrt　raｔeaｎdboｄyｔｅmpｅrａturｅaretwｏ　iｍportantindicators　ofthｅhｕｍanbody，　basｅd　on　tｈekｎowledgｅto　ｍaketｈｅheartrａtｅ　meｔer.

Thedesｉｇｎofdｉｇｉｔalhｕmanｂodｙheaｒt　ratemeｔｅrbasedon　SＣＭ，froｍ　realｉzaｔionand　ecｏnｏmiｃconsiderationｓ，decideｄｔoadｏｐt　thｅ5１microcontｒｏlｌerasthemａincontｒｏlｃhｉp，　ｔｈeuseof　iｎfraｒedｐhotoelecｔrｉｃsensor　astheacｑｕisiｔioｎmodule，ｈeａrｔrａｔｅ，anｄ　bodyteｍｐeraｔure　ａcquisiｔion　using　1８B20temperatｕresensｏriｓsimple，aｎｄthｅ　ｄisplａymoｄuleandthefｕnｃｔiｏnｍｏdule.Thesaｍpｌinｇposiｔionofheａrt　ｒate　aｎd　bodyteｍpｅrature　ｗｅｒetｈe　fｉngertiｐs,sigｎalacｑｕisitioｎaｎdprocesｓingby　theMＣU　ｏutpｕt　tｏtｈediｓpｌａymoduｌｅ　to　dispｌaｙthefinalresulｔs.

Theｈａrｄwａre　circuiｔ　desｉgnprocｅdureｓ,mainlysoｌvesｓｅveｒalproｂｌemsas　follows:

1，thｅheａrtrａtｅ　siｇｎalbｙinfrared　phｏtoｅlｅctricｓeｎsｏｒ　aｃqｕisition，　afｔer　twograde　ｇｅｎeraｌrawsigｎal　aｍplificaｔioｎ，ｓhaｐｉngbｙcｏmparisｏncirｃuit,outpｕｔthe　puｌsｅ　waｖesigｎalｍicｒoｃonｔrolｌｅrｂｅtｔerrecoｇniｔion；

2，theｔｅｍpｅrａture　signalｂyaｓinｇlｅtemperatureｓｅnsor1８Ｂ2０　acquisｉtｉｏｎ，acqｕｉsitiondatathｒouｇhthｅｃonverｓiｏnintoatempeｒａｔuremｅasureｍent　resuｌtsatlasｔ,　miｃrocｏｎtｒｏｌｌｅroｕtｐuttempeｒａture;

3，ｔhｅmeａsuremｅntrｅsultsarｅoutputin　diｇitａlform，oneof3digital　tｕbedｉspｌayreｓｕlts，ｒeadtheｍeａsurｅment　ｒesultｓoｆsimpleaccuraｔe；

Coｍｂiniｎgｔhe4，kｅys　anｄｐroｇｒａｍ,theheartｒatｅmeterandｔheｒmoｍetｅrfunctｉoｎswitcｈingmorecｏnveｎient。

Ｋeｙwｏｒds:

hｅａrtratｅ，bodyｔｅｍperaｔｕｒe,singｌｅchip,iｎfraｒｅdｓensor,temperaturesensor

摘要·············································I

Abstract···········································II

目　录·············································IV

1绪论···········································１

１。

1选题背景及意义······································1

1。

2　国内外研究现状和发展趋势····························２

1.3论文结构概括········································3

2　设计方案及论证···································４

2.1方案一··············································4

2。

2　方案二··············································5

2。

3方案论证············································６

3　硬件电路概述及元器件介绍·························６

3.1硬件电路总方框图····································６

3．2单片机模块··········································7

3．3心率信号采集模块····································10

３．4体温信号采集模块····································１5

3．5显示模块············································18

3.6功能选择模块········································23

4程序设计·········································２4

4。

1　主程序设计··········································24

4．2心率测试程序设计····································2９

4。

3体温测试程序设计····································34

5　设计完成及整体调试·······························41

5．1　硬件电路的焊接及调试································41

5。

2程序的下载及调试····································4３

5。

３调试中的干扰········································45

6总结和展望·······································46

6。

1　总结··············································46

6.2展望··············································４7

参考文献···········································48

致谢·············································50

附录１　设计总电路图······························51

附录2　设计实物图································5２

附录3程序清单··································54

附录4外文文献及翻译····························69

１绪论

1。

1选题背景及意义

心率（HｅarｔＲate）是用来描述心动周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音为准.心率，现代汉语将心率解释为“心脏跳动的频率"。

频率就是在单位时间内，某件事情发生的次数。

两种解释合起来就是,心脏在一定时间内跳动的次数,也就是在一定时间内,心脏跳动快慢的意思。

健康成人的心率为60~１００次/分,大多数为60～8０次/分,女性稍快;３岁以下的小儿常在１0０次/分以上；老年人偏慢。

成人每分钟心率超过１0０次（一般不超过　1６0次／分）或婴幼儿超过150次/分者,称为窦性心动过速。

常见于正常人运动、兴奋、激动、吸烟、饮酒和喝浓茶后。

也可见于发热、休克、贫血、甲亢、心力衰竭及应用阿托品、肾上腺素、麻黄素等。

如果心率在16０～22０次/分，常称为阵发性心动过速。

心率低于60次/分者（一般在40次/分以上），称为窦性心动过缓.可见于长期从事重体力劳动和运动员；病理性的见于甲状腺机能低下、颅内压增高、阻塞性黄疸、以及洋地黄、奎尼丁或心得安类药物过量或中毒.如心率低于4０次/分，应考虑有房室传导阻滞.心率过快超过160次/分，或低于４0次/分，大多见于心脏病病人,病人常有心悸、胸闷、心前区不适，应及早进行详细检查,以便针对病因进行治疗。

体温是指机体内部的温度.人体的温度是相对恒定的，正常人在2４小时内体温略有波动，一般相差不超过1度。

生理状态下,早晨体温略低,下午略高。

运动、进食后、妇女月经期前或妊娠期体温稍高,而老年人体温偏低。

体温高于正常称为发热,37．３～38摄氏度为低热，38。

1～3９摄氏度为中度发热，39.1～4１摄氏度为高热，41摄氏度以上为超高热。

人体温度相对恒定是维持人体正常生命活动的重要条件之一，如体温高于41摄氏度或低于25摄氏度时将严重影响各系统（特别是神经系统）的机能活动,甚至危害生命。

机体的产热和散热，是受神经中枢调节的，很多疾病都可使体温正常调节机能发生障碍而使体温发生变化。

可见，心率和体温是人体中非常重要的生命信息,与人体的健康问题息息相关，及时检测人体的心率及体温状况,观察其变化对诊断疾病或预防疾病有重要意义。

鉴于此，特选择了基于单片机的数字人体心率计作为毕业设计。

本设计是以5１单片机作为主控制芯片,用于实现驱动传感器、信息加工计算和驱动数码管显示结果等功能,而心率信号和体温信号分别由红外光电传感器和１8b20温度传感器采集,由数码管显现最终结果，是集心率测量和体温测量与于一体的数字式电子设备。

1.2国内外研究现状和发展趋势

近年来,全球医疗器械产业快速发展，贸易往来活跃,平均增速达7％左右，是同期国民经济增长速度的两倍左右.医疗器械产业作为全球高新技术产业竞争的焦点领域，其竞争正在向技术、人才、管理、服务、资本、标准等多维度、全方位拓展。

与发达国家相比，我国医疗器械产业基础薄弱,产业链条不完整，整体竞争力弱，基础产品综合性能和可靠性存在一定差距,部分核心关键技术尚未掌握,在产业竞争中处于不利地位。

医疗器械是典型的高新技术产业,具有高新技术应用密集、学科交叉广泛、技术集成融合等显著特点,是一个国家前沿技术发展水平和技术集成应用能力的集中体现,是带动和引领多学科技术发展的重要引擎.当前，国际医疗器械领域的科技创新高度活跃，电子、信息、网络、材料、制造、纳米等先进技术的创新成果向医疗器械领域的渗透日益加快,创新产品不断涌现.但是，由于创新能力薄弱,创新体系不完善，产学研医结合不紧密,我国医疗器械科技发展水平与发达国家存在较大差距。

提高自主创新能力、培育战略性新兴产业、建设创新型国家的重要阶段，也是进一步深化医药卫生体制改革的攻坚时期。

医疗器械是医疗卫生体系建设的重要基础，具有高度的战略性、带动性和成长性，其战略地位受到了世界各国的普遍重视,已成为一个国家科技进步和国民经济现代化水平的重要标志。

单从心率计方面来讲，一般属于心电机的一部分，且常用于医院等一些医疗机构，专门测量心率的仪器并不多，但随着时代的进步和社会的发展,心率计的应用也越来越广泛,在病人监控、临床治疗及体育竞赛等方面都有着广泛的应用.在未来的应用中,心率计也将朝着精度高、轻型化、一体化、可视化、可控化等适合在家庭和社区条件下使用的方向发展。

目前的应用最为广泛的体温计就是大家所熟知的水银体温计,具有精度高、使用简单、价格低廉等优点，但同时也具有水银污染严重、监测不方便等缺点，故在研究人员不断研究下产生了电子体温计,且迅速得到认可，正在向着数字化和一体化方向发展。

1.3论文结构概括

从提出问题到解决方案，再到最终完成，论文对设计的硬件电路、程序设计和调试等方面进行了详尽的叙述，大体的结构安排如下：

第1章介绍了选题的背景及意义，提到了心率和体温是人体中非常重要的生命信息，与人体的健康问题息息相关,及时检测人体的心率及体温状况,观察其变化对诊断疾病或预防疾病有重要意义.

第２章根据问题提出了两个设计方案，经过论证之后，决定采用红外光电传感器采集心率信号、DS18B20温度传感器采集体温信号、3位一体数码管显示最终测试结果的方案。

第3章重点介绍和分析了设计的硬件电路，整个设计分为五大模块：

单片机模块、功能选择模块、心率信号采集模块、体温信号采集模块和显示模块，各个元器件的选择和使用情况都有详尽的说明.

第4章运用流程图和部分代码，介绍了设计的程序实现过程，包括主程序的实现流程和各分程序的运行过程。

第5章是对设计的调试过程，从硬件电路的焊接及硬件电路的仿真到程序的下载及测试,以便及时发现设计中出现的问题并提出解决方案,使设计更加实用。

第6章进行了总结和展望。

在生活节奏快速、心脑疾病多发的时代下，此设计对诊断疾病或预防疾病有着重要意义。

同时,提出设计还有很多需要改进的地方，且还有很大的研究空间。

２设计方案及论证

2.1方案一

采用压力传感器采集心率信号、模拟温度传感器ＡD５9０J采集体温信号、LCＤ１602显示结果。

2.1.1设计思路

（1）根据设计要求，采用８9C51单片机作为主控芯片；

（2）心率和体温的显示使用LCD１60２；

（3）采集的心率信号经过放大和整形后，送入单片机;

2。

1。

2硬件设计方框图

根据设计要求与设计思路,方案一的硬件电路设计框图如图2。

１所示。

图2．1方案一方框图

２。

2方案二

采用红外光电传感器采集心率信号、ＤS１8Ｂ20温度传感器采集体温信号、3位一体数码管显示最终测试结果。

2．2。

1设计思路

（1）根据设计要求，采用89C51单片机作为主控芯片；

（2）用温度传感器DＳ18Ｂ２0采集的温度信号和用红外对管采集的心电信号直接送入单片机处理；

（3）心率和体温的显示采用数码管显示.

2.2。

２硬件设计框图

方案二的硬件设计方框图如下图所示：

图2。

2方案二方框图

２．3　方案论证

方案一采用压力传感器采集心率信号传出的电信号比较微弱,测量难度大,且容易受外界干扰；显示模块采用16０2显示，从价格方面考虑,不是理想选择。

相对于方案一，方案二采用红外光电对管采集心率信号抗干扰能力较强，测量到的心率波形比较稳定,波形也很好;DS１8B20温度传感器使用比较简单普遍；同时数码管的确是价格便宜实用性较强。

综上所述,本设计采用方案二。

３硬件电路概述及元器件介绍

3．1硬件电路总方框图

硬件电路总方框图如下所示，整个设计分为五大模块:

单片机模块、功能选择模块、心率信号采集模块、体温信号采集模块和显示模块.其中，功能选择模块用于心率测量和体温测量的选择。

图　3。

1硬件电路总方框图

3.2单片机模块

3。

２.1单片机模块方框图及电路图

单片机模块主要由三部分组成，即STＣ８９Ｃ51单片机、晶振电路和复位电路.晶振电路为单片机提供合格的时钟信号，在该设计中使用的晶振频率为12M；复位电路分为上电自动复位和手动复位两种，功能是是单片机恢复到最初的状态。

图3．2单片机模块方框图及电路图

3．２.2STC89C５1单片机简介

51单片机是对所有兼容Ｉｎtel　8031指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是Ｉntel的８０３１单片机，后来随着Flashroｍ技术的发展，8031单片机取得了长足的进展,成为应用最广泛的８位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT８9系列，它广泛应用于工业测控系统之中.很多公司都有51系列的兼容机型推出,今后很长的一段时间内将占有大量市场。

５1单片机是基础入门的一个单片机,还是应用最广泛的一种。

图3。

3　51单片机引脚图

５１单片机的功能及内部结构

·8位CＰＵ·4kbyｔes程序存储器（ROM）（５２为8Ｋ）

·128bytes的数据存储器（RAM）（52有25６bytes的RＡM）

·3２条I／O口线·１1１条指令，大部分为单字节指令

·２１个专用寄存器

·２个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级（52有６个）

·一个全双工串行通信口

·外部数据存储器寻址空间为６4kB

·外部程序存储器寻址空间为６4kＢ

·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装

·单一+5V电源供电

　　　图3.4　51单片机内部结构

CＰU:

由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；

ＲAＭ：

用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；

ROM：

用以存放程序、一些原始数据和表格;

I/Ｏ口：

四个8位并行I/O口，既可用作输入,也可用作输出

Ｔ／Ｃ：

两个定时/记数器,既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；

五个中断源的中断控制系统；

一个全双工UAＲＴ（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；

片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接.最佳振荡频率为6Ｍ-1２Ｍ。

3.3心率信号采集模块

3。

３.1心率传感器分类及红外脉搏传感器原理

心率传感器就是能感受外周血管搏动并转换成可用输出信号的传感器，心率传感器分为:

红外脉搏传感器、心率脉搏传感器、光电脉搏传感器、腕部脉搏传感器、数字脉搏传感器、心音脉搏传感器、及集成化脉搏传感器等等。

其中应用比较广泛的是红外脉搏传感器,其工作原理是利用特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液容积的变化的敏感特性,检测由于心脏的跳动,引起指尖的血液变化，经过信号放大、调整等电路处理。

主要应用于临床上脉率的测量、监测和脉搏波的病理分析。

3。

３。

2心率采集模块电路图

在此设计中，使用光电传感器将脉搏信号转换为电信号，此装置做成指套用在指尖上。

光电传感器一侧的发光二极管放射红外光,当脉搏跳动时，指尖的动脉血管血容量发生周期性变化，透过指尖的红外光强度同时发生变化。

另一侧的光电三极管将接收到的红外光信号转化为电信号。

但由于光电传感器接收到的脉搏信号极其微弱，仅有几个毫伏，需要进行放大。

同时，为了使单片机更好地识别，加入了比较器使输出信号为方波.具体如下图所示。

图3。

5　心率信号采集模块电路图

３。

3.３关于放大及整形

在电路的设计中采用运算放大器进行了两级放大处理。

如下图所示,对于第二级放大器，采用同相负反馈的接法，单电源供电,放大光电三极管中的微弱交流小信号，需要加的偏置电压由Ｒ9提供，同时还起到了分流的作用.电压的放大倍数最终由R10和R1１的比例来决定.

图　3．６二级放大电路图

由于V—＝　V＋，V+＝Vin,V－=R11／（R10+Ｒ１１）×Vｏuｔ（电阻分压），故：

Vin=R1１/（R10+R1１）×Vout，Vouｔ/Vin＝ＡV（放大倍数），AV＝　（Ｒ10＋R１1）/R1１=５0，即放大的倍数为5０倍。

第一级的放大倍数与第二级一样,也为5０倍。

同时,电压信号在输入两级放大器之前都加了一个４。

7uＦ的滤波电容，其目的是滤去外界对干扰信号，两级放大器之间采用电耦合,隔离两级放大器直流工作点的相互影响，并减少零点漂移。

当然,为了使输出的电压信号更加的稳定，在两级放大电路之后又增加了如下的电路。

图　3.7稳定电路图

经过上述的电路放大之后，其输出的波形如下图所示,是相对稳定的锯齿波。

图3。

8波形图

但为了使单片机更加准确的识别电压信号，需要将其进行整形处理成脉冲方波形式，故增加了一个比较器，如下图所示：

图3。

9比较电路

3．３。

4低功率运算放大器MCP60０４

ＭCP6０04运算放大器是专门为各种通用应用设计的，且在设计中采用了Miｃｒocｈip先进的CMOS工艺。

具有的特征:

1MHｚ增益带宽积；轨到轨输入/输出；提供电压1.8V至5。

５Ｖ;供电电流1００μA；９0度相位容限等。

其引脚及封装图如下所示。

图3.10MCＰ6004引脚图

其具体的引脚功能表如下：

表3.１　MCP６００4引脚功能表

在设计中的应用主要涉及范围有：

汽车、便携式设备、光电二极管放大器、模拟滤波器、电池供电系统等.典型应用如下图:

图3。

11典型应用图

３。

4体温信号采集模块

3.4.１体温信号采集模块电路图

体温信号采集模块主要由一个上拉电阻和温度传感器DS１8B2０构成，其中，上拉电阻的目的是使ＤS18Ｂ20更加稳定的工作。

图３.1２温度采集模块电路图

３.4。

2　DS１8B20温度传感器介绍

1、ＤＳ1８B２0基本知识

　DＳ1８Ｂ2０数字温度计是DALLAS公司生产的1—Wｉｒe,即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。

因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样